某种类型商用车驱动桥总成传动误差的影响因素分析

张林涛 王恩鹏 李旭伟

摘 要：汽车驱动桥作为传动系统重要零部件之一，有着更高加工精度要求;在汽车领域中，对于汽车驱动桥总成的零部件加工生产更是精益求精，目的是使驱动桥传动系统有着更好的传动性减少传动误差以及减少能源的损失实现更高的效率。本文通过对某种商用车驱动桥为研究对象，进行对其传动误差试验测试与分析，主要分析：影响传动误差的因素有哪些;此次试验在传动部件可靠性试验台进行，模拟不同工况来对驱动桥进行测试。

关键词：驱动桥;传动误差;准双曲面齿轮

汽车的动力传递是从发动机-变速器-传动轴-驱动桥-车轮的这么一个路径。所以汽车驱动桥是整车中重要组成部分，那么也有更高的要求。我们要研究的是其传动误差，现代的驱动桥所用的传动齿轮大多数为准双曲面齿轮，也就是所说的斜齿，它相比于直齿轮有着更好的啮合性、传动平稳、噪声小、重合度大、降低了每对齿轮的载荷、提高了承载能力适用于高速重载。

在美国、日本及德国等汽车制造大国，汽车驱动桥齿轮的数字化闭环制造已经替代传统制造模式[1]，齿轮加工精度和啮合性能已经有了相当高的优越性。目前国内对于齿轮啮合设计也有了很大的提高，但是由于加工精度和质量不是太稳定，存在加工误差，导致驱动桥总成传动效率低，传动误差较高，这些都有很大的研究空间。

1 汽车驱动桥总成相关理论

汽车驱动桥总成具有三大功能分别是：①增大由传动轴传来的扭矩;②改变传动方向;③将动力合理地传给车轮。驱动桥总成是由主减速器、差速器、车轮传动装置、驱动桥壳等几大部件组成。按照结构又可分为非断开式驱动桥和断开式驱动桥，这可根据整车底盘其悬挂型式来选择。对于两种类型驱动桥一下做出了具体解析：

1）非断开式驱动桥：应用于非独立悬挂车型中，后悬架采用钢板弹簧，其结构为桥壳是一根刚性梁，结构简单，制造工艺好，可靠性好，维修调整起来容易，广泛应用于货车和部分轿车上。可是并不是部件都有优点，存在的缺点是其悬挂质量大，对降低动载荷和提高平顺性不利。

2）断开式驱动桥：应用于独立悬挂车型中，此主减速器和差速器安装在副车架或者车身上，车轮传动装置采用万向节传动方式。其结构复杂，加工成本高，但是与独立悬架结合起来，对于改善汽车平顺性、操控稳定性和通过性有利，由此看来广泛应用于轿车和一些高速通过性越野车上。

在汽车厂商设计驱动桥时应满足以下几点要求：

1）具有适合该车型的主传动比，保证汽车具有最佳动力性和燃油经济性。

2）驱动桥工作时平稳，噪声小。

3）传动效率高。

4）具有必要的离地间隙。

5）与悬架导向机构运动协调，对于转向驱动桥还应该与转向机构运动协调。

6）具有足够的强度和刚度，同时质量还应该尽可能小。

7）拆装、调整方便。

8）制造成本低。

2 准双曲面齿轮传动理论

目前汽车领域中驱动桥主减速器所用的传动齿轮大多数为准双曲面齿轮传动;

准双曲面齿轮传动特点：主、从动轴轴线不相交，而是有一偏移距E，由于存在偏移距E，使主动齿轮螺旋角β1与从动齿轮螺旋角β2不相等，且β1>β2（图1是准双曲面齿轮受力情况）。由图可知，F1是主动齿轮的切向力，F2是从动齿轮的切向力。在啮合点，两齿轮啮合齿面的法线方向相同，此时啮合齿面上的法向力应该彼此相等，都为Ff，具体运算公式为：

设r1和r2分别是主、从动轮平均分度圆半径，则准双曲面齿轮齿轮传动比ios表达式为：

在公式（2-5）中，K=COSβ2/COSβ1=1.25～1.5，这说明，当准双曲面齿轮与螺旋锥齿轮的尺寸相同时，双曲面齿轮传动有更大的传动比，从另一角度说，当传动比一定、从动齿轮尺寸相同时，双曲面主动齿轮比螺旋锥齿轮有较大的直径，从而有较高的轮齿强度，较大的主动齿轮轴和轴承强度。

对于准双曲面齿轮主减速器的主动齿轮轴布置有以下几种设计布置形式：

◆主动齿轮轴设计在从动齿轮中心线下方：这样设计有利于降低万向节传动轴传动高度，可实现降低车身高度，对于车身内部中央地板凸起可降低设计高度。

◆主动齿轮轴设计在从动齿轮中心线上方：这样设计有利于增高万向节传动轴离地高度，以防整车通过凸起较高路面时，凸起处与传动轴发生磕碰，对于车身内部中央地板凸起设计会有所增高，这种设计多应用于贯通式驱动桥中。

准双曲面齿轮传动优点为：

◆工作时实现齿面研磨，来降低吃面粗糙度，可降低旋转时产生的噪声。

◆啮合性能好，且传动更加平稳，噪声小，承载能力高，结构比较紧凑。

准双曲面齿轮传动缺点为：

◆在工作中，传动齿轮会有沿齿高方向侧滑，还会伴随着沿齿长方向的纵向滑动，正因这种滑动才使转动中噪声小，平稳;摩擦损失大，传动效率会降低;纵向滑动会随着偏移距E变大而增大，故不应把偏移距E设计过大。

◆齿轮工作时，齿轮摩擦力大，长时间会破坏附着在齿轮表面的油膜，从而使齿面油膜烧结咬死，所以齿轮润滑油的选择尤为重要。

3 驱动桥传动误差测试

3.1 测試设备与使用仪器

我们以某种商用车驱动桥为试验样件，分析其传动误差测试结果与影响因素进行研究。使用测试设备为传动部件可靠性试验台。一台数据采集仪器共24个通道，测试范围包括：振动、噪声、扭振、转速等多种信号。三个转速编码器。测试电脑一台。此试验在温度、湿度正常状态下进行。

3.2 试件安装调试及测试方法

3.2.1 试件安装调试

把全新的某商用车驱动桥按照设计安装到试验台架上，并按照设计扭矩将其固定，轮端通过专用球笼工装和传动轴与试验台架负载端链接并固定，输入端与输入驱动变速器通过传动轴链接固定，以上是把样件安装完成。接下来把三个转速编码器分别安装到输入和轮端法兰盘上;轮端法兰外圆形位公差精度很高，计算好黑白相间的马条，打印出后贴在轮端法兰上。把数据采集仪器开机，转速编码器连接线插到数据采集仪器相应端口上;把测试电脑和数据采集仪器通过网线连接，在测试电脑上设置好所用通道以及相关数据采集信息。试验台设备开机，选择好车型模式，按50r/min进行调试，三个转速编码器直至转速稳定即可，驱动桥齿轮润滑油温度达到80°，方可进行测试。

试验现场布置图祥见图2。

根据提供的某商用车驱动桥设计参数制定了几组试验工况，详细见表1。

4 传动误差测试结果分析及影响因素

4.1 传动误差测试结果分析

4.1.1 传动误差理论

传动比在机械传动系统中，其始端主动轮与末端从动轮的角速度或转速的比值，齿轮传动中，瞬时输入速度与输出速度的比值称为齿轮的传动比。传动误差是指主动齿轮转过某一角度后，从动齿轮的实际转角和理论转角之间的偏差[2]，而由于齿轮副本身几何结构的原因或制造安装等因素，从动轮的实际转角可能与理论转角不相等，实际转角与理论转角之差即为传动误差。换言之：沿啮合线方向度量被动轮上的齿廓在实际啮合时所处位置同理想条件下应处位置之间的偏差就是传递误差。

显然，传递误差的波动直接反映了传递误差对传动系统的振动、噪音有着重要影响。

式中：φ1（0）和φ2（0）分别为主从动齿轮的初始转角;φ1和φ2分别为某一时刻主从动齿轮的转角;Z1和Z2分别为主从动齿轮的齿数。传动误差单位一般用μrad，（″）或arcsec。

4.2 传动误差测试结果分析

经过实际测试与理论数据对比分析得出以下测试曲线：

测试工况1数据结果（图3）：

测试工况2数据结果（图4）：

测试工况3数据结果（图5）：

测试工况4数据结果（图6）：

测试工况5数据结果（图7）：

由此数据结果可得：

1）传动误差曲线成规律状，每隔3秒会出现严重波动，说明该位置齿轮啮合出现问题，可针对齿形以及齿面有待研究。

2）当转速恒定，轮端负载逐渐增高，曲线波动先是呈稳定状，可随着扭矩增高，波动会越来越大，由此可推算出，扭矩越大时，每对齿轮啮合面会逐渐增大，相对的会出现相互滑动，转速传递给半轴和轮端会出现卡顿现象，从而导致传动误差变大，影响传动效率。

4.3 影响因素以及优化措施

4.3.1 传动误差影响因素

驱动桥总成是由主减速器、差速器、车轮传动装置、驱动桥壳以及固定轴承等几大部件组成。

驱动桥总成传动误差来源大体分为以下几点：

（1）生产制造误差。

（2）装配误差。

（3）齿轮齿面生产加工误差等。

驱动桥总成在绝对理想条件下能满足：

（1）无制造、装配误差;

（2）齿轮齿形为标准渐开线;

（3）齿轮为刚性材料

（4）被动轮将匀速转动，齿轮传动也绝对平稳。

4.3.2 传动误差优化措施

针对驱动桥总成影响传动误差因素做出了几点优化方案：

1）加强生产制造精度，装配工艺更加完善。

2）加强轴承支撑强度，重载变形现象控制在更小范围内。

3）锥齿轮啮合精度加强。

4）使用适合车型的润滑油，减少齿轮磨损，增加齿轮使用寿命。

5）锥齿轮的参数要合理的选择：在选择主、从动齿轮中，应该使它们之间没有公约数，以保证其啮合过程中各齿之间能更好的相互啮合，起到自动磨合作用。为了得到理想的重合系数和较高的轮齿弯曲强度，主、从动齿轮的齿数和应不少于40。

6）所用齿轮的材料要按车型设计载荷合理选择：主减速器齿轮的载荷大并且作用时间长、变化多、冲击较大;所以齿轮材料的选择尤为重要，其材料应该满足：

a.具有较高的弯曲疲劳强度，表面接触疲劳强度，齿面具有较高的硬度。

b.保证齿根不易断裂，齿芯部要有一定的韧性来适应冲击载荷。

c.钢材锻造性能、切削性能以及热处理性能应该比较好，热處理变形要小或者变形规律容易控制。[3]

5 结论

1）当输入输出转速恒定时，随着轮端负载逐渐增高，传动误差曲线先是逐步呈稳定状态，然后曲线波动逐渐越来越大;由此可得出，扭矩越大，每对齿轮咬合接触面逐渐增大，过了稳定阶段就会出现相互滑动，传递给半轴和轮端的转速会出现卡顿现象，振动和噪声也会变大，传动误差变大，影响传动效率。

2）此商用车驱动桥可在齿轮优化上进行修整和研究。

参考文献：

[1]邓效忠，李天兴李，聚波，周广才.汽车驱动桥准双曲面齿轮齿面测量误差精确计算，2012.

[2]刘国政1，史文库1，陈志勇1，杨昌海1，张香存2，驱动桥准双曲面齿轮传动误差有限元分析与试验，2018.

[3]王霄锋，汽车底盘设计（第二版）.